基于参数化关联技术的冲裁模具设计研究

韩志仁，薛 航

(沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136)

航空宇航工程

基于参数化关联技术的冲裁模具设计研究

韩志仁，薛 航

(沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136)

对于相似性零件冲压模具重复设计和零件更改造成的模具重新设计的问题，参数化关联技术是主要的解决途径之一。本文研究了参数关联的理论和方法，研究了参数的传递的方法，以冲裁模具的设计为例，介绍了冲裁模具参数化关联技术的具体实现，并应用CATIA二次开发方法进行基于参数化关联技术的冲裁模具设计。实现了冲裁模具的快速设计，在设计依据发生更改时模具设计能够随之进行快速更新，从而提高了设计效率。

冲裁模具；参数化关联；CATIA

在航空、汽车、造船等行业大量使用钣金件作为产品零件，这些产品的生产主要是采用冲压方法，利用安装在压力机上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件[1]。冲压模具是冲压生产必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。钣金件的制造质量、效率等均取决于冲压模具。

在航空等行业采用并行工程的方法，产品设计阶段与工艺设计、工装设计工作平行开展，在设计过程中产品零件的修改时有发生，与之相关的工装要对每次零件的修改做出响应，这种修改大部分都是重复性的，尤其当这些修改体现到工装上时往往都繁复而冗长，另外一些相似的产品模具存在重复设计的问题，这在很大程度上延长了生产准备周期。

为了提高冲压模具设计效率，实现冲压模具的快速、优化设计，避免相似性零件冲压模具重复设计和零件更改造成的模具重新设计的问题，采用参数化设计技术，利用几何拓扑关系是相似或不变的[2]的特点，开展参数化关联设计，可以有效解决上述问题[3-4]。

1 参数化关联设计技术

参数化是利用具体参数对零部件几何形状进行尺寸约束的过程[5]。对参数的更改通过具体约束方法，传递到对几何图形，最终实现了对零部件几何模型的驱动[6]。参数化技术是一门在实际设计及应用中逐渐发展起来的技术，并且已经成为现代设计及制造工艺的研究热点[7]。

参数化关联是实现若干对几何形状具有尺寸约束功能的参数间的关联技术[8]。换句话说，参数化关联是在两个或多个参数间建立连接关系，而这些参数又同时应用于对具体零部件尺寸的约束[9]。

在模具设计中，对产品模型的修改，对工艺设计的修订，或是对模具结构的修改，都必然会导致与模具相关联的零件或部件的变更[10]。参数化关联设计的目的就是要自动获取这种修改，并且将相应更改通过参数间的关联驱动到具体约束中，从而实现整套模具设计的自动更新[11]。

2 参数化关联的传递关系

如上所述，实现参数化关联设计的重点是实现零部件间具有约束功能的参数关系的传递。而同时这种传递必然要具有一定的方向性。这就要在参数化建模之初充分了解设计意图，从而确定不同零件、不同部件中参数的主次关系，把重要的复杂的参数作为“父”参数，次要的简单的参数作为“子”参数，实现不同零件、不同部件之间的参数化。当需要修改设计方案时，只需要修改“父”参数的相关尺寸，“子”参数也跟着作相应的变化，往往“子”参数又驱动着更低一级别的参数[12]。这样，只通过对“父”参数做很少量的修改，便可以达到修改大部分“子”参数的目的，从而完成对整个产品设计的修改(见图1)。

图1 参数化关联的传递关系

以冲裁模具设计的一组参数传递为例(见图2)，产品零件边缘轮廓线具有自身的位置参数(图2中尺寸1、2)，而模座的总长和总宽是通过边缘轮廓线与产品零件的边缘轮廓线之间距离建立约束关系而确立(图2中尺寸3、4)，与此同时导柱的孔心位置参数是通过距模座边缘距离建立约束关系而确立(图2中尺寸5、6)。这就形成了一组零件中参数关联的传递关系，即产品零件边缘位置参数为父代参数，模座边缘位置参数为子一代参数，而导柱的孔心位置参数即为子二代参数。在先进行下模座设计后，上模座设计参数是对应连接于下模座设计参数中。之前所建立产品零件边缘位置参数为父代参数，下模座边缘位置参数为子一代参数，下模座的导柱的孔心位置参数为子一代参数，在上模座设计中分别又向下传递一代。通过类似的将上模座参数直接关联于下模座参数中，将参数化的关联关系从单个零件中的参数传递扩展到零件之间的参数传递，形成了整套模具设计的参数化关联，此时即可实现对设计依据进行更改，整套模具发生相应的自动更新(见图3)。

图2 冲裁模设计的一组约束关系

图3 冲裁模设计的一组参数传递

在冲裁模具设计中，冲裁间隙的确定是通过建立参数间的传递关系而自动确定。根据零件材料和零件厚度(父代参数)，在模具设计时自动确定冲裁间隙(子代参数)。间隙数据信息量较大，CATIA及其二次开发平台为与数据库连接留有开放式接口，这样就可以建立间隙数据库，在模具设计时根据输入的零件材料及厚度等零件特征，搜索间隙数据库信息，从而自动确定出冲裁间隙(见图4)。

图4 间隙确定流程

此次设计依据冲压手册[13]建立间隙数据库(见表1)，在实际生产设计中可根据具体需要对数据库进行修正及扩充，这种设计系统与数据库的连接技术也为标准化设计奠定基础。

与冲裁间隙的确定类似，上下模座及导柱导套等模架的设计也是通过输入的相关信息(凹模周界及闭合高度等)，在预先建立的标准模架数据中可查询相关设计数据，根据这些数据完成标准模架的选用。在本次设计中以滑动导向中间导柱圆形模架设计为例，参阅相关标准[14](见表2)，建立标准模架数据库。根据CATIA相关端口，此数据库类型可以为本地ACCESS型或是远程ORACLE型，这些类型的数据库都可方便地进行修正及扩充，以适应实际生产需要。

表1冲裁间隙标准数据库

表2 部分标准模架数据

3 实例运行

在冲裁模具设计中，首先应用打开文件预处理对话框载入零件，并建立轴系统(见图5)。应用插入的冲裁模具设计模块的人机交互型对话框，拾取必要元素、输入设计数据(见图6)。

图5 打开文件预处理

图6 对话框的拾取与输入操作

点击预览按钮可完成整套模具的初步设计(见图7)，此时可继续应用冲裁模具设计对话框，对设计依据进行修改。如本例中修改后侧导柱模架为中间导柱模架，再次点击预览后整套模具设计随之更新(见图8)。点击确定按钮，完成模具设计，并且相关设计参数插入结构树中。

双击结构树中参数可对其进行修改，点击确定后，整套模具都随着该参数修改进行了快速更新。本例中双击结构树中Y向零件到凹模距离参数，在弹出对话框中对其进行修改(见图9)。本参数修改引起凹模宽度变大，而同时凹模宽度的变化也要引起垫板、卸料版以及上下模座等相关模块宽度方向尺寸的变化，只需点击确定按钮即可完成修改该参数及一系列更新工作(见图10)。

图7 “预览”完成初步设计

图8 对设计依据进行修改后更新

图9 可修改结构树中参数

图10 完成快速更新

4 结论

参数化关联技术不但可以应用于冲裁模具或是其他模具设计，在飞机工装乃至整个产品设计中都可以进行广泛的运用。对于尺寸不同、结构相似、具有拓扑关系的设计中可以选择应用参数化关联技术进行快速设计。在需要进行数字量传递的生产设计环节，反复的修改时有发生，运用参数化关联技术是实现适应更改完成快速更新的一种重要手段，从而，在提高生产效率方面具有很高的应用价值。

关联技术不仅可以进行参数间的关联，而且可以将参数数据库和知识库进行关联，实现智能设计。在CATIA环境下实现了冲裁参数关联设计平台的开发，验证了参数关联技术和智能化设计技术。

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(责任编辑：刘划 英文审校：刘敬钰)

Studyofblankingdesignbasedonparameterization-associatedtechnology

HAN Zhi-ren,XUE Hang

National Key Discipline Laboratory of Aeronautical Manufacturing Technology Digitization，Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136)

Aimed at the problem of the blanking die redesign and similar workpieces repeating design,the parameterization-associated technology is one of the main solutions to reducing redesign The theory and methodology about parameterization-associated technology are researched,and the method delivering parameters is introduced.By illustrating the design of a blanking die,this paper presents the realization of the parameterization-associated technology,carries out a blanking die design based on both parameterization associated technology and the secondary development of CATIA method.Not only will the rapid design system of blanking dies develop,but as the design database changes,accordingly,the blanking die is rapidly updated,which,as a result,will raise the working efficiency.

blanking die;parameterization association;CATIA

2013-11-13

韩志仁(1964-)，男，河北唐山人，教授，主要研究方向：钣金成形、CAE和飞机数字化制造技术；E-mail:hanren888@163.com。

2095-1248(2014)01-0001-05

V221+.92

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.01.001